En l’onada actual de desenvolupament vigorós de noves tecnologies energètiques, la bateria d’estat sòlid, com a tecnologia de bateries de propera generació molt prometedora, ha cridat una àmplia atenció de tots els àmbits de la vida. A mesura que els requisits de les persones per a la resistència dels dispositius electrònics i la gamma de vehicles elèctrics continuen augmentant, i el seu èmfasi en el rendiment de seguretat de la bateria creix dia a dia, es preveu molt que la bateria d’estat sòlid abordi molts punts de dolor de les bateries tradicionals d’ions líquids en termes de seguretat i rang. Tanmateix, abans de la seva popularització i aplicació a gran escala, una pregunta clau es manté en la ment dels consumidors: la bateria d’estat sòlid és segura i capaç de proporcionar un llarg abast? Per respondre a aquesta pregunta, hem d’aprofundir en el mecanisme de treball, les característiques tècniques i la investigació actual i l’estat de l’aplicació de les bateries d’estat sòlid.
Principi de treball i característiques estructurals de la bateria d’estat sòlid
La diferència central entre la bateria d’estat sòlid i la bateria d’ions de liti líquid tradicional rau en la forma d’electròlit. Les bateries tradicionals d’ions de liti líquid utilitzen electròlit líquid per aconseguir el procés de càrrega i descàrrega a través del moviment d’ions de liti entre els elèctrodes positius i negatius. En canvi, les bateries d’estat sòlid utilitzen electròlits sòlids, que normalment es fabriquen amb materials de ceràmica, polímer o sulfur. En les bateries d’estat sòlid, els ions de liti també es desintal·len de l’elèctrode positiu durant la càrrega i s’intercalaren en l’elèctrode negatiu a través de l’electròlit sòlid; Durant la descàrrega, es mouen en el sentit contrari, mentre que els electrons flueixen de l'elèctrode negatiu a l'elèctrode positiu a través del circuit extern, generant corrent per alimentar el dispositiu.
L’ús d’electròlits sòlids dota les bateries d’estat sòlid amb característiques estructurals úniques. En comparació amb l’electròlit líquid, que requereix un separador per evitar un curtcircuit entre els elèctrodes positius i negatius, l’electròlit sòlid té les funcions dobles de conducció d’ions i aïllament d’elèctrodes, fent que l’estructura de la bateria sigui més compacta. Mentrestant, els electròlits sòlids presenten una estabilitat més elevada i és menys propens a la volatilització i fuites, posant un fonament per millorar el rendiment de la seguretat de la bateria.
Rendiment de seguretat de la bateria d’estat sòlid
Les bateries tradicionals d’ions de liti líquids representen un risc de desbordament tèrmic en condicions d’alta temperatura. Quan la temperatura de la bateria supera un determinat llindar, com ara 80 graus, l’electròlit líquid pot descompondre’s per produir gasos inflamables, i les reaccions laterals dins de la bateria s’intensifiquen, donant lloc a una ràpida acumulació de calor i, finalment, provocant que la bateria agafi foc o fins i tot exploti. Les dades de l’agència de proves alemanya TüV revelen clarament aquest perill ocult.
Les bateries d’estat sòlid presenten avantatges importants en l’estabilitat tèrmica. A causa de l'absència de components líquids volàtils i inflamables en l'electròlit sòlid, la seva estabilitat tèrmica és molt superior a la de l'electròlit líquid. La prova de punció realitzada per la nova Organització de Desenvolupament de la Tecnologia Energètica i Industrial (NEDO) del Japó és impressionant: quan una agulla d’acer punxa una bateria d’estat sòlid, la temperatura de la bateria només s’eleva en 2 graus, mentre que una bateria tradicional d’ions de liti líquid s’incendiarà i esclatarà en només 3 segons. Aquest resultat experimental demostra visualment la seguretat superior de les bateries d’estat sòlid davant d’un abús mecànic extrem.
En un document titulat "Les bateries d'estat sòlid són més segurs que les bateries (líquids) d'ions de liti?" Publicat a Science l’abril de 2022, els investigadors van discutir els límits de l’alliberament de calor i l’augment de la temperatura de les bateries d’ions de liti líquid, bateries semi-sòlides amb una certa quantitat d’electròlits i bateries d’estat tot solid en tres escenaris desbordats tèrmics. L’estudi va trobar que en l’estat desbocat tèrmic causat per la calefacció externa, les bateries d’estat de tot sòlids superen les bateries semi-sòlides i d’ions líquids de liti. L’elevada densitat d’electròlits sòlids en bateries d’estat solid pot formar una barrera de gas efectiva, evitant el contacte entre el liti a l’elèctrode negatiu i l’oxigen alliberat de l’elèctrode positiu. En aquest hipotètic escenari, no hi hauria un alliberament de calor significatiu.
Inhibició del creixement de la dendrita de liti
Durant el procés de càrrega i descàrrega de bateries tradicionals d’ions de liti líquid, els ions de liti poden cristal·litzar directament a la superfície de l’elèctrode negatiu durant la càrrega ràpida, formant dendrites de liti perilloses. El creixement de les dendrites de liti no només condueix a la capacitat de la bateria, sinó que també pot punxar el separador, provocant un curtcircuit entre els elèctrodes positius i negatius i desencadenant un incident de seguretat. Aquest perill ocult va ser revelat pels enginyers de Catl.
Les bateries en estat sòlid mostren potencial en la inhibició del creixement de la dendrita de liti. L’estructura especial i les propietats de l’electròlit sòlid poden proporcionar un camí més uniforme per a la migració d’ions de liti, reduint la possibilitat de formació de dendrites de liti. Tot i que l’eliminació del creixement de la dendrita de liti encara suposa reptes en aplicacions pràctiques, la tendència de millora de les bateries d’estat sòlid en aquest sentit és evident en comparació amb les bateries d’ions de liti líquid.
Riscos de seguretat potencials
Malgrat els molts avantatges de les bateries d’estat sòlid en termes de seguretat, no són absolutament segurs. En determinats casos extrems, com quan l’electròlit sòlid falla o les dendrites de liti penetren a l’electròlit sòlid, provocant un curtcircuit, la seguretat de les bateries d’estat integral i les bateries semi-sòlides no és superior a la de les bateries de ions de liti líquid. El professor Ai Xinping de l'Escola de Química i Ciències Moleculars de la Universitat de Wuhan assenyala que l'afirmació que les bateries d'estat solid tenen una alta densitat energètica i una bona seguretat implica en realitat una mica de mà conceptual. Com que alguns materials de bateries d’estat sòlid poden produir gasos tòxics com el sulfur d’hidrogen en cas d’accident, tot i que no cremaran directament persones com les bateries tradicionals, el gas sulfur d’hidrogen és tòxic i pot causar danys greus al cos humà.
Potencial de la bateria d'estat sòlid en el rang
En teoria, les bateries d’estat sòlid tenen el potencial d’aconseguir una alta densitat d’energia, que s’espera que millori significativament la resistència dels dispositius. L’electròlit sòlid permet l’ús de liti metàl·lic pur com a elèctrode negatiu, cosa que augmenta significativament la capacitat d’emmagatzematge d’energia per unitat de volum. Les dades experimentals de l’Institut Qingdao de Bioenergia i Tecnologia de Bioprocess de l’Acadèmia de Ciències xineses mostren que la densitat d’energia de les seves mostres de bateries d’estat sòlid ha superat els 500Wh\/kg, mentre que la densitat d’energia de la bateria 21700 utilitzada en el model 3 de Tesla és de només 260wh\/kg.
Prenent vehicles elèctrics com a exemple, la gamma de conducció sempre ha estat un focus d’atenció al consumidor. La bateria de Kunpeng de Chery, com a representant de les bateries d’estat sòlid, té previst aconseguir una densitat d’energia de 400Wh\/kg el 2024 i augmentar-la fins a 600Wh\/kg el 2025. Segons el pla, quan es produeix en massa el 2027, s’espera que el rang de conducció elèctric pur superi els 1500 km. Si s’assoleixen aquests objectius, alleujarà molt l’ansietat dels usuaris de vehicles elèctrics.
Reptes en el rang real
No obstant això, des del laboratori fins a les aplicacions pràctiques, les bateries d’estat sòlid encara s’enfronten a alguns reptes en termes de rang. En primer lloc, la impedància de la interfície entre electròlit sòlid i elèctrodes és relativament destacada, cosa que és similar a la configuració d’una cabina de peatge en una carretera, dificultant la transmissió ràpida d’ions de liti i afecta la càrrega i la descàrrega de la bateria, afectant així negativament el rang. En segon lloc, el defecte fatal de l’electròlit sulfur, que produeix sulfur d’hidrogen altament tòxic quan s’exposa a l’aigua, no només augmenta els riscos de seguretat durant la producció i l’ús de bateries, sinó que també suposa greus reptes a l’estabilitat i la fiabilitat de la bateria. A més, el baix rendiment de la preparació de pel·lícules d’electròlits sòlid comporta costos elevats de producció a gran escala, limitant l’aplicació generalitzada de bateries d’estat sòlid i afectant indirectament el procés de demostració dels seus avantatges de llarg abast al mercat.
Conclusió i Outlook
En resum, les bateries d’estat sòlid demostren un potencial important en termes de seguretat i rang. En termes de seguretat, els seus avantatges d’estabilitat tèrmica són evidents i poden inhibir eficaçment el creixement de la dendrita de liti, fent-les més segures i fiables que les bateries tradicionals d’ions líquids en la majoria dels casos. No obstant això, davant de situacions extremes com la fallada de l'electròlits sòlids, encara hi ha certs riscos de seguretat. En termes de rang, l’avantatge teòric de l’alta densitat d’energia proporciona la possibilitat de llarg abast, i algunes dades experimentals i plans corporatius també mostren perspectives prometedores. No obstant això, en aplicacions pràctiques, qüestions com la impedància de la interfície, els defectes dels electròlits i el cost s’han convertit en obstacles que dificulten la realització total dels seus avantatges de llarg abast.
Tot i afrontar nombrosos reptes, les bateries d’estat sòlid encara es consideren una important direcció de desenvolupament per a les tecnologies de bateries de propera generació.